NO316884B1 - Fremgangsmate for maling av massestromningsmengde av fluidbestanddeler i en flerfase pluggstrom - Google Patents

Description

TEKNISK FELT

Foreliggende oppfinnelse vedrører måling av fluidmasse-strømningsmengder i en flerfases pluggstrøm som inneholder i det minste to væskefaser.

TEKNIKKENS STAND

Slik det her benyttes er uttrykket "fase" ment å skulle bety separate, ublandbare væskefaser så som olje og vann, så vel som væske- og gassfaser. Som her benyttet er uttrykket "flerfase" ment å skulle bety en blanding som innbefatter i det minste to slike faser. Uttrykket "pluggstrøm" viser til pluggstrømform av den type som opptrer i rørledninger fra oljebrønner som fører en trefaseblanding av olje, vann og gass. Slike strømmer er karakterisert av intermittente, men veldefinerte plugger av vann, olje og gassblandinger som hovedsakelig fyller rørledningens tverrsnitt. Disse plugger er adskilt med hva som betegnes filmer, som er partier av strømmen hvor rørledningen er hovedsakelig fylt med gass ledsaget av en liten mengde blanding av vann og olje.

Massestrømningshastighetsmålinger av olje, vann og gass fra individuelle oljebrønner er viktig for bedre reservoarstyr-ing, bedre produksjonsallokering og optimalisering av den totale oljeproduksjon i løpet av feltets levetid. Vanligvis er den nødvendige nøyaktighet i bestemmelsen av masse-strømmen av hver fase 5%.

Dertil er det ofte et behov for å måle den relative konsen-trasjon av olje og vann i en strøm etter separasjon av gassen og noe av vannet. Denne måling kan by på betydelige praktiske vanskeligheter, spesielt hvor oljen og vannet har tilnærmet samme densitet.

Vanlig praksis for måling av massestrømningshastigheten av fasene i oljebrønnstrømmer er periodisk å fysisk avlede brønnproduktet til en testseparator. Etter separasjonen blir strømningsmengden av hver bestanddel målt med konven-sjonelle anordninger så som måleblende- eller turbinstrøm-ningsmålere. Denne teknikk er beheftet med mange iboende ulemper. For det første krever nøyaktig måling en stabili-sert brønnstrøm som det kan ta tid å etablere. Ofte kan testing av strømmen fra en enkelt brønn ta en hel dag. Dertil opptar den fysiske størrelse av separatoren og det tilhørende utstyr betydelig plass, noe som kan føre til økede omkostninger på offshore plattformer. Endelig er det i praksis ikke mulig å forsyne hver brønn med sitt eget testseparatorsystem, og ofte må mange brønner dele et felles anlegg. Kontinuerlig overvåkning av produksjonen fra hver brønn er derfor ikke mulig.

Forskjellige teknikker har vært foreslått for direkte ("online") strømningsmengdemåling av flerfaseblandinger. Det meste avhenger av bestemmelsen av konsentrasjonen av én eller flere av fasene, sammenholdt med en bestemmelse av enten den midlere hastighet av én eller flere av fasene eller den totale strømningsmengde av blandingen. Konsen-trasjonsmålinger ved hjelp av kapasitans er beskrevet i en artikkel kalt "Online measurement of oil/water/gas mixtures using a capacitance sensor" by Beck M.S. Green R.G., Hammer E.A. and Thorn R, Measurement 3 (1) 7-14 (1985). Måling av bestanddelkonsentrasjon ved bruk av en to-energi gammastråle transmisjons teknikk har også vært beskrevet i følgende: Fanger U,. Pepelnik R. og Michaelis W. - Determination of conveyor-flow parameters by gamma-ray transmission analysis, pp. 539-550 in Nuclear Techniques and Mineral Resources 1977, IAEA, Wien, 1977.

Michaelis W. og Fanger H.U. - Device for determining the proportions by volume of a multiple-component mixture, britisk patentsøknad GB 2083908 A, 1982.

Abouelwafa M.S.A. og Kendall E.J.M. - The measurement of component ratios in multiphase systems using gamma-ray attenuation, J.Phys.E.: Sei. Instrum, 131 341-345 (1980).

Kendall E.J.M. - Gamma-ray analysis of multicomponent mate-rial, britisk patentsøknad GB 2088050 A, 1982.

Tomada T., Komaru M., Badono S., Tsumagari K. og Exall D. - Development of gamma-ray oil/water/gas fraction meter for crude oil production systems, Paper presented at the Inter-national Conference on Industrial Flow Measurement On-shore and Off-shore, 22-23/9/87, London.

Mikrobølgemåling av fasekonsentrasjon er også kjent fra US patent 4301400. Teknikker basert på uelastisk nøytron-spredning har også vært benyttet.

Fra DK 165764 er det kjent å bestemme strømningsmønsteret av en tofasestrømning ved å måle hulromsandelen ved hjelp av gammastråling. Gassens og væskens volumstrømningshastighet bestemmes blant annet ved å bruke to målestasjoner med kjent innbyrdes avstand. Andelen av gass over en gassboble bestemmes som gjennomsnittlig hulromsandel over gassboblen utfra en rekke målinger ved hjelp av gammastråling. Fra US 5025160 er det kjent måling av massestrømningsmengder av væskefaser i en flerfases pluggstrøm, og væskefasenes massestrømnings-mengde bestemmes utfra de målte massefraksjoner og målt massestrømning for væske.

Energioverføringsteknikker for måling av fasekonsentrasjon, hvor strålingskiIden befinner seg på motsatt side av røret i forhold til strålingsdetektoren, har den fordel fremfor refleksjons- eller spredningsteknikker at den er følsom overfor fluidvolumene i hele rørets tverrsnitt slik at feil i bestemmelsen av strømningshastigheten forårsaket av inho-mogeniteter i trefaseblandingen minimaliseres. Overførings-målinger kan baseres på bruk av én eller en kombinasjon av flere av følgende: gammastråler, nøytroner, mikrobølger, infrarøde bølger eller ultralyd. Noen overføringsmålinger krever lange strålingsbanelengder i oljen og vannet for å oppnå tilstrekkelig følsomhet for bestemmelsen av olje- og vannvolumet og massefraksjonene. Av denne grunn lider overføringsteknikker av følsomhetstap ved pluggstrømmålinger fordi væskebanelengden i filmen mellom pluggene er relativt kort.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for måling av massestrømningsmengden av væskefaser i en flerfases pluggstrøm som inneholder i det minste to væskefaser, som vil avhjelpe eller i det minste redusere ovennevnte vanskeligheter.

Således består foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for måling av massestrømningsmengder av væskefaser i en flerfases pluggstrøm som inneholder i det minste to væskefaser, hvilken fremgangsmåte omfatter de trinn å: måle masse- eller volumfraksjon av nevnte væskefaser ved energioverføring gjennom strømmen på et første sted, måle den gjennomsnittlige totale masse- eller volum-strømningsmengde av væske som strømmer gjennom røret, karakterisert ved de følgende trinn: bestemme begynnelsen av en pluggs passasje i strømmen forbi det første sted i røret,

bestemme enden av pluggens passasje forbi det første sted, og

bestemme massestrømningsmengdene av væskefasen gjennom røret ut fra (a) den målte gjennomsnittlige totale masse-eller volumstrømningsmengde av væske som strømmer gjennom røret, og (b) målingen av masse- eller volumfraksjoner kun mellom bestemmelsen av begynnelsen og enden av dé respektive pluggers passering i strømmen.

Ved at måling av masse- eller volumfraksjonene kun utføres i pluggene som passerer i strømmen, får man nøyaktigere resul-tater fordi elektronisk drift i instrumenteringen minimaliseres. Slik drift er betydelig verre for filmdelene av strømmen enn i dennes pluggdeler.

Fortrinnsvis blir begynnelsene og endene registrert ved passasjen av hhv. den fremre kant og den bakre kant av en plugg ved passering av det valgte sted.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvsten-dige krav.

Målingen av masse- eller volumfraksjonene ved energiover-føring kan benytte enhver egnet energi eller kombinasjon av energier, f.eks. mikrobølger, ultralyd, infrarøde bølger eller gammastråling. I en form utføres målingen ved å utnytte en to-energis gammastråleteknikk beskrevet i US 5025160. Denne teknikk muliggjør måling av masse- eller volumfraksjon, og ved å utnytte to innbyrdes atskilte to-energi overføringssystemer gir den et mål på væskestrøm-ningshastighet. Alternativt kan to innbyrdes atskilte enkeltgammastrålingsoverføringssystemer benyttes til å bestemme væskehastigheten ved krysskorrelasjon av gamma-stråleintensitetene. Videre kan enkeltgammastråleoverfør-ingsteknikken, som kan være én av de to energier i to-energiteknikken nevnt ovenfor, benyttes på kjent måte for å bestemme gjennomsnittlig volum- eller massestrømningen av den totale væske i røret. Andre teknikker for å bestemme gjennomsnittlig total masse, volum og hastighet av den totale væskestrøm kan også benyttes i denne oppfinnelse.

Fremre og bakre kant av pluggene kan bestemmes ved hjelp av enhver egnet teknikk. Imidlertid blir det fortrinnsvis benyttet samme energioverføringsteknikk som for måling av masse- eller volumfraksjoner. Identifiseringen kan skje ved en enkel økning i den totale masse pr. overflateenhet av strømmen på nevnte valgte sted i røret eller ved hjelp av en passende mønstergjenkjeimende algoritme. I begge tilfeller oppnås identifikasjonen ved måling av den overførte stråling ved relativt korte tidsintervaller. Bruken av korte tidsintervaller muliggjør også minimalisering av forskjellige feil som dannes under bestemmelsen av masse- eller volumfraksjonene og som stammer fra det logaritmiske forhold mellom volum- eller massefraksjonen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

En utførelse av oppfinnelsen skal nå beskrives under henvis-ning til vedføyde tegning, fig. 1, som er en skjematisk illustrasjon av et apparat ifølge denne oppfinnelse.

UTFØRELSESEKSEMPLER PÅ OPPFINNELSEN

Som vist på fig. 1, føres en to-fase pluggstrøm 1 gjennom et rør i form av en rørledning 2. Pluggstrømmen 1 innbefatter en plugg 3 bestående av olje, vann og gass som beveger seg i retning av pilen 4 og har en fremre kant 5 og en bakre kant 6. Pluggen 3 består av en blanding av olje, vann og gass, og påfølgende plugger er atskilt av en film 7 bestående hovedsakelig av olje og vann og gasslommer 8 og 9.

En to-energigammastråleoverføringsmåler 10 av den type som er beskrevet i US 5025160, omfatter to radioisotopkilder 11 for emittering av gammastråler 13 med to forskjellige energier. Alternativt kan det benyttes to separate kilder. Kildene 11 inneholdes i en skjermet beholder 12 for å gi retningsbegrenset emisjon av gammastrålene. Den benyttede radioisotopkilde innbefatter <3*l>Am og én av radioisotopene <137>Cs, <133>Ba og "Co.

Måleren 10 innbefatter også en gammastråledetektor i form av en scintillasjons- eller halvlederdetektor 14 som har en kollimator 15 for kollimering av gammastrålene og delvis skjerming av detektoren mot spredt gammastråling og bak-grunnsstråling. Signalene som dannes av detektoren 14 som reaksjon på de detekterte gammastråler overføres til en dataprosessorenhet 16, som bestemmer intensiteten av gammastrålene ved begge energier.

En enkeltenergigammastråleoverføringsmåler 17 er anordnet oppstrøms for måleren 10 for å gi prosessoren 16 ytterligere data for å muliggjøre bestemmelse av strømningsformen i rørledningen 2 og den oppnådde strømhastighet. Masse-strømningsmengdene av oljen, vannet og gassen blir deretter bestemt av prosessoren 16. Måleren 17 kan alternativt være plassert nedstrøms for måleren 10 og kan erstattes med andre passende energikilder og detektorer. I en ytterligere utførelse er f.eks. måleren 17 en to-energigammastråle-overføringsmåler.

Som beskrevet i ovennevnte US patent, muliggjør denne måle-teknikk bestemmelse av masse- eller volumfraksjonene av væskene som foreligger i strålen. De detekterte gammastrå-letellinger måles med korte tidsintervaller, av størrelses-orden 10 millisekunder, og derved blir kontinuerlig oppda-terte bestemmelser av masse- og volumfraksjonene oppnådd.

Avlesningene som oppnås fra de innbyrdes atskilte målere gjør det mulig for prosessoren 16 å identifisere strøm-ningsf ormen i rørledningen 2, og ved påfølgende bruk av gammastrålemålinger kan den etter tur bestemme: (a) en tilnærmet romlig fordeling av væskene og gassen i hele tverrsnittet av røret som en funksjon av tid; (b) hastighetene av væskene i pluggen 3 og væskene i filmen 7 og de respektive gasser som befinner seg i og over disse væsker; og (c) ved å kombinere (a) og (b) med målinger av temperatur og trykk, beregne de gjennomsnittlige totale masse-st rømningsmengder for væskene og gassen i gammastråle-st rålen.

Utførelsen av trinn (b) er viktig på grunn av de forskjellige hastigheter av væskene i pluggen og filmen og gassen i pluggen og over filmen. Hastigheten av pluggene og filmen er vanligvis forskjellige, og relative variasjoner på 10 - 20% er vanlig forekommende.

Ved trinn (c) ovenfor er det strømningsmengden for væsken bestående av kombinasjonen av olje og vann som beregnes. I de fleste anvendelser er dette vann saltvann, men oppfinnelsen kan lett tilpasses forhold hvor strømmen inneholder ferskvann.

Oppfinnelsen muliggjør bestemmelse av masseforholdet mellom olje og væske ved bruk av to-gammastråleoverføringsmåleren 10. Deretter benyttes massefraksjonene av væskebestanddel-ene, sammen med de tidligere beregnede verdier oppnådd i trinnene (a), (b) og (c) ovenfor, til å tilveiebringe verdier for volum- eller massestrømningsmengdene av oljen, vannet og gassen i pluggstrømmen.

Hvor det er nødvendig med nøyaktigere verdier for volum - eller massestrømningsmengdene, benyttes det en viss kompensasjon ved bestemmelse av masseforholdet mellom olje og væske. 1 én form innbefatter denne kompensasjon hensyntagen til forskjellen i densitet mellom olje og vann for å mulig-gjøre en nøyaktigere verdi av gasstrømmen som bestemmes.

Fra de oppnådde målinger og foretatte beregninger sikrer prosessoren 16 at fasefraksjonene bare bestemmes når overfø-ringsbanelengden for gammastrålene 13 i væsken er ved eller nær et maksimum. På denne måte eliminerer oppfinnelsen stort sett de feil som dannes på grunn av en kort væskeover-

føringsbanelengde.

I én foretrukket utførelse blir fasefraksjonene beregnet mellom passasjen av den fremre kant 5 og den bakre kant 6 gjennom gammastrålene 13. Eksempelvis kan den fremre kant 5 detekteres ved observasjon av flere etter hverandre økende målinger av gammastrålenes svekning. Omvendt kan den bakre kant 6 identifiseres ved flere på hverandre minskende målinger av gammastrålenes 13 svekning. På denne måte bestemmes volum- eller massefraksjonene av væskefåsene ut fra målinger som utføres kun i de tidsrom hvor en plugg 3 passerer gjennom gammastrålene 13.

Denne måling av volum- eller massefraksjonene i fasene blir så benyttet til å beregne massestrømningsmengdene av olje, vann og gass ut fra målingene av hastighet og total masse av væskene utført ved bruk av kjente teknikker. Disse teknikker kan benytte to-energioverføringsarrangementet beskrevet ovenfor eller utgjøres av alternative egnede teknikker.

I andre foretrukne utførelser blir den fremre og bakre kant ikke benyttet som ovenfor, men istedenfor blir gammastråle-tellingene oppsummert over flere intervaller. Så snart denne sum faller under et forutbestemt nivå, oppnås det verdier for masse- og volumfraksjonene.

I ytterligere utførelser blir massestrømningsmengdene av væskefåsene beregnet til enhver tid. Imidlertid blir fase-frakBjonene av olje og vann kun bestemt når den detekterte masse pr. arealenhet stiger over en forutbestemt terskel. Eksempelvis kan denne terskel settes som midtpunktet mellom massen pr. arealenhet av en film og massen pr. arealenhet av en plugg. På grunn av forskjellige plugger som innbefatter en varierende gassfase, vil videre massen pr. arealenhet fra plugg til plugg variere tilsvarende. Av denne grunn kan f.eks. terskelen tas ved midtpunktet mellom den anslåtte midlere masse pr. arealenhet av pluggene og filmen.

I en spesiell utførelse innbefatter overføringsinnretningen en to-gammastrålekilde som benytter <a41>Am og 137Cs. Massen pr. arealenhet av strømmen bestemmes ut fra intensitetene av <137>Cs gammastrålene for påfølgende tidsintervaller på 10 millisekunder. En forutbestemt terskel for masse pr. arealenhet på f.eks. 4g/cm<3> etableres, og dersom denne terskel overskrides i ett av tidsintervallene, vil <J41>Am- og <137>Cs-tellingene bli benyttet til å beregne fasefraksjonene av olje og vann for dette intervall. Det vil si at fasefraksjonene bestemmes bare når væskeoverføringsbanelengden er betydelig. Justering av terskelen er mulig for å ta hensyn til spesielle olje- eller strømningsegenskaper, og alternative tidsintervall-lengder kan benyttes etter behov.

En ytterligere utførelse er utformet hovedsakelig som angitt i foregående avsnitt, men med den unntakelse at for hvert tidsintervall på 10 millisekunder, blir gjennomsnittet tatt for tallene for massen pr. arealenhet for det umiddelbart foregående og påfølgende intervall på 10 millisekunder og sammenlignet med terskelen. Dersom dette gjennomsnitt overskrider terskelen, beregnes fasefraksjonene for angjel-dende tidsintervall.

Bestemmelsen om å beregne fasefraksjonene for et tidsintervall kan gjøres på mange forskjellige måter. De ovenfor beskrevne måter er å foretrekke, men utgjør bare noen av mulighetene som står åpne for fagmannen.

Fortrinnsvis blir masBen pr. arealenhet av fluidet i gammastråle- strålen beregnet kontinuerlig for påfølgende tidsintervaller ut fra målingene av overføringene av gammastrålene med høyere energi. Dette letter identifikasjon av den strømningsform som i sin tur tillater beregning av den gjennomsnittlige masse pr. volumenhet av strømningen over rørets tverrsnitt.

I denne foretrukne utførelse muliggjør plasseringen av måleren 17 oppstrøms for måleren 10 og krysskorreiering av de respektive målte gammastråleintensiteter beregning av hastigheten av strømmen ut fra kjennskap til tidsforsinkel-sen det tar for væsken å passere den kjente distanse mellom disse målere. Videre gir følerinnretninger 18 og 19 signaler som indikerer hhv. trykket og temperaturen av fluidene i rørledningen 2, hvilke signaler deretter overføres til prosessoren 16 for å muliggjøre beregning av væskenes spesi-fikke vekt og gassens oppløselighet i både vannet og oljen. Variasjonen av egenvektene og gassløseligheten med temperatur og trykk oppnås ved forutgående laboratorietesting.

Det er å foretrekke at rørledningen 2 innbefatter en seksjon fremstilt av et materiale av lavere effektivt atomnummer enn jern. Dette kan f.eks. være metaller så som Al eller Mg, eller legeringer av disse, eller komposittmaterialer så som karbonfibre eller glassfibre. En slik seksjon vil vanligvis være en lengde av rørledningen 2, men i alternative utførel-ser innbefatter rørledningen to motstående vinduer som gammastrålene passerer gjennom.

I det foregående er det kun beskrevet noen utførelsesek-sempler på oppfinnelsen, som kan modifiseres uten å avvike fra dennes ramme. Selv om rørledningen 2 er illustrert i horisontal tilstand, kan f.eks. oppfinnelsen virke til-fredsstillende når røret holdes i vertikal tilstand eller i en vinkel mellom horisontalen og vertikalen.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for måling av massestrømningsmengder av væskefaser i en flerfases pluggstrøm som inneholder i det minste to væskefaser, hvilken fremgangsmåte omfatter de trinn å: måle masse- eller volumfraksjon av nevnte væskefaser ved energioverføring gjennom strømmen på et første sted, måle den gjennomsnittlige totale masse- eller volum-strømningsmengde av væske som strømmer gjennom røret, karakterisert ved de følgende trinn: bestemme begynnelsen av en pluggs passasje i strømmen forbi det første sted i røret, bestemme enden av pluggens passasje forbi det første sted, og bestemme massestrømningsmengdene av væskefasen gjennom røret ut fra (a) den målte gjennomsnittlige totale masse-eller volumstrømningsmengde av væske som strømmer gjennom røret, og (b) målingen av masse- eller volumfraksjoner kun mellom bestemmelsen av begynnelsen og enden av de respektive pluggers passering i strømmen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte begynnelse og ende detekteres ved hhv. passasjen av den fremre kant og den bakre kant av en plugg forbi det valgte sted.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at målingen av nevnte masse- eller volumfraksjoner oppnås ved hjelp av energi-overføring gjennom strømmen, hvilken energioverføring tilveiebringes av en kilde av én eller en kombinasjon av føl-gende energiformer: mikrobølger, ultralyd, infrarøde stråler eller gammastråler.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at energioverføringen tilveiebringes ved hjelp av en to-energigammastrålekilde.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturen, trykket og hastigheten av strømmen oppnås for å lette beregningen av massestrømningsmengdene av nevnte væskefaser.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at hastigheten bestemmes ved å oppnå signaler som indikerer massen pr. arealenhet av strømmen ved et første sted og et andre sted som er plassert oppstrøms for det første sted med en forutbestemt avstand.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at signalene for massen pr. arealenhet ved de respektive steder krysskorreleres for å muliggjøre beregning av nevnte hastighet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at en måler for to-energigammastråleoverføring er anordnet ved nevnte første sted og en måler for enkeltenergigammastråleoverføring er plassert ved nevnte andre sted for å gi nevnte signaler.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at forkanten og bakkanten av pluggene oppnås ved bruk av samme energioverføring som benyttes til å måle nevnte masse- eller volumfraksjoner.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 2-4 eller krav 9, karakterisert ved at deteksjonen av forkanten og bakkanten innbefatter detektering av hhv. et antall etter hverandre økende og minkende målinger for masse eller volum pr. arealenhet for nevnte strøm.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at massen per arealenhet i gammastråle-strålen bestemmes for hvert av en flerhet påføl-gende tidsintervaller, idet masse- eller volumfraksjonene av nevnte væskefaser bestemmes når nevnte masse pr. arealenhet av strømmen overskrider en forutbestemt terskel.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at massen pr. arealenhet av nevnte strøm bestemmes for hvert av en flerhet påfølgende tidsintervaller, idet masse- eller volumfraksjonene av nevnte væskefaser bestemmes for et første tidsintervall når gjennomsnittet av massen pr. arealenhet oppnådd under det umiddelbart foregående og påfølgende tidsintervall overskrider en forutbestemt terskel.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at videre innbefatter måling av trykk og temperatur i strømmen og kontinuerlig bestemmelse av massestrømningsmengden av gassfasen.